CN104901341A - 基于机组出力及变负荷速率的火力发电煤耗量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于火力发电节能技术领域，尤其涉及一种基于机组出力及变负荷速率的火力发电煤耗量计算方法，包括：在机组出力水平上下限的范围内选取不同的机组出力水平，采集所对应的机组正常运行状态下的正常煤耗率、变负荷控制所能达到的最大出力和最小出力、最大出力煤耗率和最小出力煤耗率、最大向上变负荷速率和最大向下变负荷速率；计算每个出力水平分别在正常运行、最大向上变负荷运行和最大向下变负荷运行状态下的发电煤耗量；拟合得到机组发电煤耗量的二元计算函数、最大向上变负荷速率与出力水平之间的函数关系以及最大向下变负荷速率与出力水平之间的函数关系；得到二元计算函数的定义域；根据二元计算函数计算火力发电煤耗量。

Description

基于机组出力及变负荷速率的火力发电煤耗量计算方法

技术领域

本发明属于火力发电节能技术领域，尤其涉及一种基于机组出力及变负荷速率的火力发电煤耗量计算方法。

背景技术

电力生产所消耗的能源在我国能源总消耗中占的比重很大，而就目前而言我国的能源结构主要还是以煤炭为主，如何在保证可靠供电和电能质量的前提下，最大限度的节约煤炭的消耗，成为目前火力发电节能领域的研究重点，而如何能更加精确方便的计算火力发电煤耗量则是解决煤炭节约问题的技术前提。一般的电力系统中发电煤耗量的计算通常采用关于机组出力的二次函数模型，其数学表达式为

F(P)＝aP²+bP+c。   (1)对火电机组而言，上式是基于机组稳态运行工况下的煤耗率与出力水平之间的关系建立的。近年来逐渐得到关注的一些火电机组快速变负荷控制技术，例如通过冷凝水流量调节实现锅炉内蒸汽蓄热利用等，可以使机组的变负荷能力在30秒左右的短时间内得到较大幅度的提升，有助于使火电出力更好地平抑风电等可再生新能源的出力波动，提高电力系统调度运行的经济性与环保性。然而，对冷凝水进行调节需要水泵的额外做功，由此会造成机组煤耗率上升。因此，当考虑通过蓄热利用实现机组快速变负荷时，发电煤耗量不仅与当前出力水平有关，还与出力水平的变化速率有关，而出力变化速率对发电煤耗量的影响无法用现有方法即(1)式计算。

发明内容

针对目前现有发电煤耗量计算方法无法解决火电机组采用快速变负荷控制技术用于平抑风电等可再生新能源的出力波动所带来的复杂计算问题，本发明提出了一种基于机组出力及变负荷速率的火力发电煤耗量计算方法，包括：

步骤1、在机组出力水平上下限的范围[P_min,P_max]内选取若干不同的机组出力水平P₁,…,P_i,…,P_n，i＝1,…,n，单位为MW，采集在每个出力水平P_i下所对应的机组正常运行状态下的正常煤耗率b_i，单位为g/kWh，采集机组在单位时间内通过快速变负荷控制所能达到的最大出力P_i,max和最小出力P_i,min，以及分别所对应的最大出力煤耗率b_i ⁺和最小出力煤耗率b_i ^-；

步骤2、计算机组在不同出力水平下单位时间内通过快速变负荷控制所能达到的最大向上变负荷速率和最大向下变负荷速率，单位为MW/min；当出力水平为P_i时，最大向上变负荷速率为

${\mathrm{\Δ}}_i^{+}=(P_{i,max}-P_i)/t---\left(2\right)$

最大向下变负荷速率为

${\mathrm{\Δ}}_i^{-}=(P_{i,\min }-P_i)/t---\left(3\right)$

式中，t为单位时间，取分钟；

步骤3、设机组在正常运行状态下，最大向上变负荷速率Δ⁺和最大向下变负荷速率Δ^-为与出力水平无关的常数，当机组变负荷速率位于[Δ^-,Δ⁺]区间内时，其煤耗率与正常运行状态下相同，则计算机组在单位时间段内每个出力水平P_i分别在正常运行、最大向上变负荷运行和最大向下变负荷运行状态下的发电煤耗量，其中正常运行状态下的发电煤耗量为

F(P_i,Δ⁺)＝F(P_i,Δ^-)＝b_iP_iD   (4)

最大向上变负荷运行状态下的发电煤耗量为

$F(P_i,{\mathrm{\Δ}}_i^{+})=b_i^{+}{P}_{i}D---\left(5\right)$

最大向下变负荷运行状态下的发电煤耗量为

$F(P_i,{\mathrm{\Δ}}_i^{-})=b_i^{-}{P}_{i}D---\left(6\right)$

式中，D为单位时间段的时间长度，单位为小时；

步骤4、针对步骤3中每个出力水平P_i得到的四个发电煤耗量数据点F(P_i,Δ⁺)，F(P_i,Δ^-)，F(P_i,Δ_i ⁺)和F(P_i,Δ_i ^-)，由于i＝1,…,n，则得到总共4n个发电煤耗量数据点，拟合得到机组发电煤耗量的二元计算函数F(P,Δ)；

步骤5、将步骤2中得到的机组在不同出力水平下的最大向上变负荷速率和最大向下变负荷速率拟合得到机组的最大向上变负荷速率与出力水平之间的函数关系Δ⁺(P)以及机组的最大向下变负荷速率与出力水平之间的函数关系Δ^-(P)；则得到机组发电煤耗量的二元计算函数F(P,Δ)的定义域为：

P_min≤P≤P_max,Δ^-(P)≤Δ≤Δ⁺(P)   (7)

式中，P为机组出力，Δ为机组变负荷速率；

步骤6、根据建立的机组发电煤耗量的二元计算函数F(P,Δ)计算火力发电煤耗量。

所述方法得到的发电煤耗量的二元计算函数作为优化目标进行经济调度，能够利用火电机组的变负荷能力平抑可再生能源的出力波动，包括风力发电、光伏发电，以提高可再生能源利用率并降低总发电煤耗量。

本发明的有益效果在于：提出一种与机组出力水平和变负荷速率两个变量相关的新的发电煤耗量计算方法，在电力系统经济调度中采用该发电煤耗量计算方法时，可以使调度方案更好地利用火电机组的变负荷能力平抑风电等可再生能源的出力波动，提高可再生能源利用率并降低总发电煤耗量。

附图说明

图1是本发明提出的方法流程图；

图2是某600MW火电机组最大向上变负荷速率函数；

图3是某600MW火电机组最大向下变负荷速率函数；

图4某600MW火电机组二元发电煤耗量函数曲面；

图5是3节点电网图；

图6是3节点电网的风电出力曲线图；

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

以拟合一台600MW机组的二元发电煤耗量计算函数为例，该机组的出力上下限分别为600MW和270MW，正常运行状态下最大向上变负荷速率是3MW/min，向下变负荷速率是-6MW/min。具体步骤如图1所示，包括：

(1)数据收集。选取7个出力水平，分别计算机组在这些出力水平下在1分钟内通过快速变负荷控制所能达到的最大和最小出力水平，如表1中第1、2列所示；分别计算机组在正常运行状态、最大向上和最大向下变负荷运行状态下的煤耗率，如表2中第1、3、5列所示。

表1.某600MW机组最大向上和向下变负荷速率

表2.某600MW机组的煤耗率和发电煤耗量

(2)变负荷速率计算。利用(2)、(3)式，分别计算机组在各出力水平下的最大向上和向下变负荷速率，如表1中的第3、4列所示；

(3)发电煤耗量计算。取单位时间段时间长度D＝1min＝1/60h，利用(4)、(5)、(6)式，分别计算机组在各出力水平下的正常运行状态下、最大向上和最大向下变负荷运行时的发电煤耗量，如表2中的第2、4、6列所示；

(4)发电煤耗量计算函数拟合。选取函数形式为二元二次型，针对7个出力水平下的28个数据点，拟合得到二元发电煤耗量函数为

$F_g(p_g,{\mathrm{\Δ}}_g)=0.05517p_g^2+4.407p_g{\mathrm{\Δ}}_g+149{\mathrm{\Δ}}_g^2+4898p_g-2720{\mathrm{\Δ}}_g+246100,---\left(8\right)$

其相关指数R²为0.999。

(5)耗量函数定义域拟合。首先基于表3中的第3行数据拟合机组最大向上变负荷速率与出力水平之间的函数Δ⁺(P)，由图2可见数据点具有较好线性度，故选取线性函数进行拟合得

Δ⁺(P)＝0.026P-3.75,270≤P≤600，   (9)

其相关指数R²为0.987。然后基于表3中的第4行数据拟合机组最大向下变负荷速率与出力水平之间的函数Δ^-(P)，由图3可见数据点有明显的转折趋势，故对右侧五点和左侧三点分别选取一个线性函数进行拟合，再由两条直线交点得其转折点坐标，得到分段线性函数

${\mathrm{\&Delta;}}^{-}\left(P\right)=\{\begin{array}{c}19.48-0.14P,270\&le;P<416.96,\\ 0.026P-50.64,416.96\&le;P\&le;600,\end{array}---\left(10\right)$

其相关指数R²为0.997。

综上所述，该600MW机组的二元发电煤耗量函数可由图4所示的曲面表示，其中P-Δ平面上的实线所围区域为该二元函数的定义域。

与普通的基于出力水平的发电煤耗量计算方法相比，本发明提出的基于出力水平与变负荷速率的二元发电煤耗量计算方法具有以下优点：

(1)当机组变负荷速率在其正常运行变负荷范围内时，二元发电煤耗量计算结果与普通发电煤耗量计算结果具有良好的兼容性；而当机组采用快速变负荷控制达到较大变负荷速率时，二元发电煤耗量计算结果与普通发电煤耗量计算结果具有明显差别。表3给出了在1分钟内，某600MW机组的普通发电煤耗量与二元发电煤耗量的若干取值。可见，当机组在正常运行状态下时，见表中第2、3、4行，其二元发电煤耗量取值与普通发电煤耗量十分接近，差别在1％以内。而当机组利用快速变负荷控制实现较大速率变负荷时，可见第5行的最大向上变负荷状态下的二元发电煤耗量高于第3行的正常向上变负荷时的普通发电煤耗量，且第6行的最大向下变负荷状态下的二元发电煤耗量高于第4行的正常向下变负荷时的普通发电煤耗量。

表3.某600MW发电机组在1分钟内的普通发电煤耗量与二元发电煤耗量

(2)在含风电的电力系统经济调度中，采用本发明所提出的二元发电煤耗量计算方法有助于充分利用火电机组变负荷能力以提高系统中的风电利用率，并降低系统总发电煤耗量。以图5所示的三节点电网为例，节点1连有上述额定出力为600MW的火电机组，节点2连有最大800MW的用电负荷，节点3连有额定出力300MW的风电场。对该3节点电网的经济调度问题求解得到的风电出力曲线如图6所示，其中给出了采用本发明所提出的二元发电煤耗量模型及机组最大向上和向下变负荷速率函数所得结果，以及使用普通发电煤耗量函数及机组的正常向上和向下变负荷速率所得结果。由图6可见，在经济调度中采用本发明所提出的方法进行火电机组煤耗量计算可以有效提高系统中的风电利用率，并且降低系统总发电煤耗量。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于机组出力及变负荷速率的火力发电煤耗量计算方法，其特征在于，包括：

步骤1、在机组出力水平上下限的范围[P_min,P_max]内选取若干不同的机组出力水平P₁,…,P_i,…,P_n，i＝1,…,n，单位为MW，采集在每个出力水平P_i下所对应的机组正常运行状态下的正常煤耗率b_i，单位为g/kWh，采集机组在单位时间内通过快速变负荷控制所能达到的最大出力P_i,max和最小出力P_i,min，以及分别所对应的最大出力煤耗率b_i ⁺和最小出力煤耗率b_i ^-；

步骤2、计算机组在不同出力水平下单位时间内通过快速变负荷控制所能达到的最大向上变负荷速率和最大向下变负荷速率，单位为MW/min；当出力水平为P_i时，最大向上变负荷速率为

${\mathrm{\&Delta;}}_i^{+}=(P_{i,max}-P_i)/t---\left(2\right)$

最大向下变负荷速率为

${\mathrm{\&Delta;}}_i^{-}=(P_{i,\min }-P_i)/t---\left(3\right)$

式中，t为单位时间，取分钟；

步骤3、设机组在正常运行状态下，最大向上变负荷速率Δ⁺和最大向下变负荷速率Δ^-为与出力水平无关的常数，当机组变负荷速率位于[Δ^-,Δ⁺]区间内时，其煤耗率与正常运行状态下相同，则计算机组在单位时间段内每个出力水平P_i分别在正常运行、最大向上变负荷运行和最大向下变负荷运行状态下的发电煤耗量，其中正常运行状态下的发电煤耗量为

F(P_i,Δ⁺)＝F(P_i,Δ^-)＝b_iP_iD(4)

最大向上变负荷运行状态下的发电煤耗量为

$F(P_i,{\mathrm{\&Delta;}}_i^{+})=b_i^{+}{P}_{i}D---\left(5\right)$

最大向下变负荷运行状态下的发电煤耗量为

$F(P_i,{\mathrm{\&Delta;}}_i^{-})=b_i^{-}{P}_{i}D---\left(6\right)$

式中，D为单位时间段的时间长度，单位为小时；

步骤4、针对步骤3中每个出力水平P_i得到的四个发电煤耗量数据点F(P_i,Δ⁺)，F(P_i,Δ^-)，F(P_i,Δ_i ⁺)和F(P_i,Δ_i ^-)，由于i＝1,…,n，则得到总共4n个发电煤耗量数据点，拟合得到机组发电煤耗量的二元计算函数F(P,Δ)；

步骤5、将步骤2中得到的机组在不同出力水平下的最大向上变负荷速率和最大向下变负荷速率拟合得到机组的最大向上变负荷速率与出力水平之间的函数关系Δ⁺(P)以及机组的最大向下变负荷速率与出力水平之间的函数关系Δ^-(P)；则得到机组发电煤耗量的二元计算函数F(P,Δ)的定义域为：

P_min≤P≤P_max,Δ^-(P)≤Δ≤Δ⁺(P)           (7)

式中，P为机组出力，Δ为机组变负荷速率；

步骤6、根据建立的机组发电煤耗量的二元计算函数F(P,Δ)计算火力发电煤耗量。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法得到的发电煤耗量的二元计算函数作为优化目标进行经济调度，能够利用火电机组的变负荷能力平抑可再生能源的出力波动，包括风力发电、光伏发电，以提高可再生能源利用率并降低总发电煤耗量。